Nanodeeltjes kunnen worden gebruikt als substraten voor berekeningen, met algoritmische en autonome controle over hun unieke eigenschappen. Echter, schaalbare architectuur om op nanodeeltjes gebaseerde computersystemen te vormen, ontbreekt momenteel. In een recente studie gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , Jinyoung Seo en medewerkers van de afdeling Scheikunde aan de Seoul National University in Zuid-Korea, gerapporteerd op een nanodeeltjesplatform ingebouwd met logische poorten en circuits op het niveau van het enkele deeltje. Ze implementeerden het platform op een ondersteunende lipidedubbellaag. Geïnspireerd door celmembranen in de biologie die signaleringsnetwerken in compartimenten verdelen en controleren, de wetenschappers noemden het platform "lipid nanotablet" (LNT). Om nano-bio-computing uit te voeren, ze gebruikten een lipide dubbellaag als een chemische printplaat en de nanodeeltjes als rekeneenheden.

Op een lipide nanotablet in oplossing, Seo et al. stelde vast dat een enkele logische poort van nanodeeltjes moleculen als input detecteert en de assemblage of demontage van deeltjes als output activeerde. Ze demonstreerden Booleaanse logische bewerkingen naast fan-in/fan-out van logische poorten en een combinatorisch logisch circuit als multiplexer in het onderzoek. De wetenschappers stellen zich voor dat de nieuwe benadering nanodeeltjescircuits op lipidedubbellagen zou kunnen moduleren om nieuwe paradigma's en gateways in moleculaire computing te ontwikkelen, nanodeeltjescircuits en systeemnanowetenschap, in de toekomst.

Materie kan worden samengevoegd met berekeningen over vele lengteschalen, variërend van microdruppels in microfluïdische bellenlogica en microdeeltjes tot biomoleculen en moleculaire machines. Het implementeren van berekeningen in nanodeeltjes blijft onontgonnen, ondanks een breed scala aan toepassingen die zouden kunnen profiteren van de mogelijkheid om het nuttige fotonica algoritmisch te controleren, elektrisch, magnetisch, katalytische en materiaaleigenschappen van nanodeeltjes. Deze eigenschappen zijn momenteel niet toegankelijk via moleculaire systemen. Ideaal, systemen van nanodeeltjes uitgerust met computercapaciteiten kunnen nanodeeltjescircuits vormen om autonoom complexe taken uit te voeren als reactie op externe stimuli om de stroom van materie en informatie op nanoschaal te combineren.

Een bestaande benadering om nanodeeltjes als substraten voor berekeningen te gebruiken, is om de deeltjes te functionaliseren met op stimuli reagerende liganden. Een groep van dergelijke gemodificeerde nanodeeltjes zal dan elementaire logische bewerkingen uitvoeren die reageren op een verscheidenheid aan chemische en fysieke inputs. Wetenschappers willen een individueel nanodeeltje gebruiken als modulaire nano-onderdelen en een gewenste berekening op een plug-and-play manier implementeren. Echter, er zijn problemen bij het bedraden van geïntegreerde meerdere logische poorten in de oplossingsfase, omdat het een uitdaging is om de diffusie van ingangen te regelen, logische poorten en output in 3D-ruimte. Om deze uitdaging op te lossen, wetenschappers werden geïnspireerd door het celmembraan; een biologisch equivalent van een printplaat die een verscheidenheid aan receptoreiwitten kan bevatten als rekeneenheden. In de natuur, gecompartimentaliseerde eiwitten interageren met receptoren als een netwerk om complexe functies uit te voeren. De membranen kunnen ook parallelle computerprocessen mogelijk maken en daarom werden materiaalwetenschappers geïnspireerd om het biologische fenomeen opnieuw te bedraden.

Biogeïnspireerd door celmembranen, in de huidige studie, Seo et al. demonstreerde een op lipide dubbellaag gebaseerd computerplatform voor nanodeeltjes. Als een proof-of-principle, ze gebruikten lichtverstrooiende plasmonische nanodeeltjes om circuitcomponenten te bouwen, DNA als oppervlakteliganden en moleculaire inputs naast biotine-streptavidine-interacties om de nanodeeltjes aan de lipidedubbellaag te binden. Na het fixeren van de nanodeeltjes op een ondersteunde lipide dubbellaag (SLB), ze boden verschillende belangrijke functies in de experimenten;

1. Ze compartimenteerden de nanodeeltjes van een oplossing die moleculaire inputs bevat.
2. Deeltje-tot-deeltje interacties waren beperkt, zodat ze alleen zouden plaatsvinden door laterale diffusie in de vloeibare 2D-reactieruimte,
3. Ze volgden de lateraal opgesloten nanodeeltjes en analyseerden ze in situ met een resolutie van één deeltje, aangezien werd aangetoond dat een groot aantal lichtverstrooiende nanodeeltjes in het brandpuntsvlak waren opgesloten met behulp van donkerveldmicroscopie (DFM).

De wetenschappers implementeerden nano-bio-berekening op het grensvlak van nanostructuren en biomoleculen, waarbij de moleculaire informatie in oplossing (input) werd vertaald in een dynamische montage/demontage van nanodeeltjes op een lipide dubbellaag (output). Als een belangrijk onderdeel van een LNT, Seo et al. ontwierp een stroomkamer met een lipide dubbellaag gecoat op de bodem van het substraat.

Om lipide nanotabletten te construeren in de experimentele opstelling, de wetenschappers gebruikten drie belangrijke componenten - kleine unilamellaire blaasjes (SUV's), glazen stroomkamers en DNA-gefunctionaliseerde plasmonische nanodeeltjes. De DNA-gemodificeerde nanodeeltjes hechtten zich aan de lipide dubbellaag om logische poorten en circuits te vormen die moleculaire informatie verwerkten. De wetenschappers classificeerden de gefunctionaliseerde nanodeeltjes in immobiele receptoren (reporters voor berekening) of mobiele floaters (informatiedragers van berekening). In deze context, drijvers waren "draden" die informatie van stroomopwaartse poorten naar stroomafwaartse poorten droegen door middel van robuuste laterale diffusie. Ze karakteriseerden de nanodeeltjes om hun materiaaleigenschappen te valideren voordat ze de experimentele circuits construeerden.

Seo et al. gebruikte donkere veldmicroscopie (DFM) beeldvorming om de prestaties van de logische poorten van nanodeeltjes te meten als reactie op moleculaire inputs in oplossing. Toen donkerveldbeeldsequenties werden verkregen uit de logische bewerkingen, de wetenschapper verwerkte en kwantificeerde ze met behulp van een op maat gemaakte pijplijn voor beeldanalyse.

Allemaal samen, de wetenschappers ontwikkelden nanodeeltjes Booleaanse logische poorten en JA-poorten met enkele nanodeeltjes assemblage en demontage in realtime. JA-poorten met één nanodeeltje vormden de eenvoudigste voorbeelden in het onderzoek. Om de verstrooiingssignalen van een logische poort van nanodeeltjes te detecteren, de wetenschappers vertrouwden op plasmonische koppeling tussen twee kerndeeltjes die de poort vormden. Om de nanodeeltjes te vormen, Seo et al. gesynthetiseerde gouden nanostaafjes met zilveren schelpen, gouden nanobolletjes en zilveren nanobolletjes op gouden zaden aangeduid als rood, groene en blauwe nanodeeltjes om rode, groene en blauwe verstrooiingssignalen in de studie. De wetenschappers gaven het gedrag van logic-gated nanodeeltjes weer in een eenvoudige, nanodeeltjesreactiegrafiek om een ​​assemblagereactie van een drijver naar een receptor en een demontagereactie te tonen, biedt een intuïtief beeld van elk logisch poortgedrag van nanodeeltjes.

The scientists used a sufficiently high density of nanoparticles and incorporated single-particle tracking algorithms to profile the scattering signals and visualize the receptor signals alone in a dark background. To qualitatively understand the overall computing performance of a single nanoparticle logic gate, they used the "receptor-only" view. The results showed that the population of nanoparticle logic gates switched into the ON state in response to performing a YES logic operation. The scientists deduced that a population of nanoparticle logic gates produced high output counts only when the molecular input met TRUE conditions.

To demonstrate two-input, single-nanoparticle logic gates, Seo et al. similarly developed:Assembly AND, Assembly OR, Disassembly AND, and Disassembly OR gates via "interface programming". The scientists showed that the design principles for interface programming were straightforward and could be generalized among circuits. They expanded the interface programming to enable nanoparticle logic gates to process INHIBIT logic.

The scientists then increased the complexity of reactions at the receptor-floater interface but noticed incomplete reactions or spurious interactions occuring in the system. Such anomalous interactions indicated that they could not rely on programming particle interfaces as before to construct complex circuits. In plaats daarvan, they introduced a conceptually distinct approach termed nanoparticle "network programming" to allow two single-particle logic gates to be combined with AND or, OR logic. In the resulting network programming of wired nanoparticle logic gates, the scientists showed the strategy could be implemented to build complex multilayer cascades readily without extensive optimization. Seo et al. successfully implemented the nanoparticle multiplexer to show the ability to design and operate nanoparticle circuits on LNTs in a highly modular and controlled manner.

Scientists can expand on the demonstrated scope of lipid bilayer-based nanoparticle computation to advance the existing molecular computing technologies to operate nanoparticle circuits. They can also integrate lipid bilayers with DNA nanostructures to open the development of new molecular circuits by expanding on dynamic inter-origami interactions for more complex and practical molecular computations. Current limits of the experimental setup prevent the construction of arbitrarily large circuits. These can be overcome to generate broader design space for circuit buildup with new modes of communication, dynamic reconfiguration and DNA walkers.

Seo et al. envision that the molecular computing network can be analogously built in a similar approach to silicon-based computers that have improved through the years. The scientists can advance the experimental setup by increasing the nanoparticle density, to increase the computing capacity and expand parallelism, so that each nanoparticle may independently perform its own computation. Voor praktische toepassingen, the lipid nanotablet will play a pivotal role in building dynamic, autonomous nanosystems in molecular diagnostics and smart sensors; to sense multiple stimuli and trigger the appropriate response. If such nanocircuits are introduced into living cell membranes, scientists can create novel bioengineered nano-bio interfaces as biologic-inorganic hybrid systems. The particles can also be used separately to study membrane-associated phenomena in living cells. Op deze manier, by facilitating communication between nanosystems and cellular systems, the scientists will be able to activate new pathways to navigate complex and dynamic theranostic applications.

© 2019 Wetenschap X Netwerk